DE60202373T2 - PROCESS FOR THE PREPARATION OF LITHIUM TITANATE - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung beansprucht die Priorität der U.S. Nr. 60/306,683.The Invention claims the priority of U.S. Pat. No. 60 / 306,683.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Lithium-Titanat, Teile des Verfahrens und das Erzeugnis des Verfahrens. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Tetra-Lithium-Titanat Spinellteilchen mit einer gut gesteuerten Teilchengröße in dem Bereich von 5 bis 2.000 nm und welche der stoichiometrischen Formel Li4Ti5O12 entsprechen. Das Lithium-Titanat kann aus jeder geeigneten Quelle stammen. Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung des Lithium-Titanats.The present invention relates to a process for producing lithium titanate, parts of the process and the product of the process. More particularly, the present invention relates to a process for producing tetra-lithium titanate spinel particles having a well-controlled particle size in the range of 5 to 2,000 nm and which correspond to the stoichiometric formula Li 4 Ti 5 O 12 . The lithium titanate may be from any suitable source. An object of the present invention relates to a process for producing the lithium titanate.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND THE INVENTION
Lithium-Titanate sind Materialien, die für die Elektroden von Lithiumionenbatterien entwickelt werden. Die Kristallform Li4Ti5O12 (Spinell) ist insbesondere die bevorzugte Form für sekundäre (aufladbare) Batterien, aufgrund der bevorzugten Einlagerungseigenschaften.Lithium titanates are materials that are developed for the electrodes of lithium-ion batteries. The crystal form Li 4 Ti 5 O 12 (spinel) is in particular the preferred form for secondary (rechargeable) batteries, due to the preferred incorporation properties.
Es gibt verschiedene bekannte Verfahren, um Lithium-Titanat herzustellen und insbesondere Li4Ti5O12 Spinell. Zum Beispiel lehrt das U.S. Patent 5,545,468 ein Verfahren zur Herstellung von Lithium-Titanat durch das Reagieren von Titandioxid in der Anastas- oder Rutilform mit Lithiumcarbonat oder -hydroxid in dem Bereich von 700°C bis 1.000°C.There are several known methods for preparing lithium titanate, and in particular Li 4 Ti 5 O 12 spinel. For example, US Pat. No. 5,545,468 teaches a process for preparing lithium titanate by reacting titanium dioxide in the anastase or rutile form with lithium carbonate or hydroxide in the range of 700 ° C to 1,000 ° C.
In der jüngsten Zeit wurde deutlich, dass eine kleinere Teilchengröße in dem Elektrodenmaterial im Allgemeinen eine schnellere Aufladungsgeschwindigkeit der Lithiumionenbatterie gestattet und eine größere Anzahl an Ladezyklen ohne Verschlechterung. Die japanische Patentanmeldung 09-309727 lehrt ein Verfahren zur Herstellung von Lithium-Titanat-Strukturen aus langen Teilchen, welche viele Hohlräume enthalten, mit einer längsten Dimension von 0,1 bis 50 μm und einer spezifischen Oberfläche von 1–300 m2/g. Die Teilchen werden hergestellt durch Reagieren einer Titan- und einer Lithiumverbindung in Lösung, Ausfällen mit Ammoniak, Trocknen und Kalzinieren.In recent years, it has become clear that a smaller particle size in the electrode material generally allows a faster charging speed of the lithium-ion battery and a larger number of charging cycles without deterioration. Japanese Patent Application 09-309727 teaches a method for producing lithium titanate structures from long particles containing many voids having a longest dimension of 0.1 to 50 μm and a specific surface area of 1-300 m 2 / g. The particles are prepared by reacting a titanium and a lithium compound in solution, precipitating with ammonia, drying and calcining.
Die japanische Patentanmeldung 2000-302547 lehrt ein Verfahren zur Herstellung von Lithium-Titanaten durch das Kalzinieren einer Mischung aus einer Titan- und einer Lithiumverbindung gefolgt von einem mehrstufigen Erwännungs- und Abkühlprogramm. Das vorgeschlagene Verfahren soll eine verbesserte Phasensteuerung und reduzierten Verlust an Lithium bereitstellen, im Vergleich mit der U.S. 5,545,468. Angeblich stellt es auch eine billigere Verarbeitung ohne Abwasserbehandlungsprobleme zur Verfügung, die mit der JP 09-309727 verbunden sind. Sie betrifft jedoch nicht den Gegenstand der Kristallgröße oder der spezifischen Oberfläche.The Japanese Patent Application 2000-302547 teaches a method of production Lithium titanates by calcining a mixture of a Titanium and a lithium compound followed by a multistage Erwännungs- and cooling program. The proposed method is intended to provide improved phase control and provide reduced loss of lithium compared with the U.S. 5,545,468. Supposedly, it also provides a cheaper processing without wastewater treatment problems available with JP 09-309727 are connected. However, it does not relate to the subject of crystal size or the specific surface.
Peramunage et al., Preparation and Battery Applications of Micron sized Li4Ti5O12, Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Band 498, Nr. 496, S. 359–365 (1998) und Peramunage et al. Preparation of Micron-Sized Li4Ti5O12 and its Electrochemistry in Polyacrylonitrile Electrolyte-Based Lithium Cells, J. Electrochem. Soc., Band 145, Nr. 8 Seite 2609–2.615 (August 1998) beschreibt die Herstellung von Li4Ti4O12 in Mikrongröße unter Verwendung einer einstufigen Festkörperreaktion.Peramunage et al., Preparation and Battery Applications of Micron sized Li 4 Ti 5 O 12 , Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vol. 498, No. 496, pp. 359-365 (1998) and Peramunage et al. Preparation of Micron-Sized Li 4 Ti 5 O 12 and its Electrochemistry in Polyacrylonitrile Electrolyte-Based Lithium Cells, J. Electrochem. Soc., Vol. 145, No. 8, pages 2609-2,615 (August 1998) describes the preparation of micron size Li 4 Ti 4 O 12 using a one-step solid state reaction.
PCT WO 02/46101 beschreibt ein Verfahren zur Synthese von Lithium-Titan-Strukturen, welche mit Kohlenstoff beschichtet werden können, um elektrochemische Eigenschaften bereitzustellen.PCT WO 02/46101 describes a process for the synthesis of lithium-titanium structures, which can be coated with carbon for electrochemical properties provide.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur wirtschaftlichen Herstellung von Lithium-Titanat-Kristallinen und in industriellen Qualitäten zur Verfügung. Das Verfahren erzielt gute Phasen- und Größensteuerung in dem Bereich von 5 bis 2.000 nm (umfassend zwischen 10 bis 2.000 nm) und eine BET Oberfläche in dem Bereich von 1 bis 400 m2/g. Im Allgemeinen umfasst das Verfahren das Bereitstellen einer Quelle von Lithium-Titanat, Zermahlen des Lithium-Titanats zu einer kleineren Teilchengröße als die gewünschte Teilchengröße, und erneutes Brennen des Lithium-Titanats unter Bedingungen, um ein fertiges Lithium-Titanat mit einer gewünschten Teilchengröße mit einer engen Größenverteilung und gesteuerter Oberfläche herzustellen.The present invention provides a process for economically producing lithium titanate crystallines and in industrial grades. The method achieves good phase and size control in the range of 5 to 2000 nm (comprised between 10 to 2000 nm) and a BET surface area in the range of 1 to 400 m 2 / g. In general, the method comprises providing a source of lithium titanate, grinding the lithium titanate to a particle size smaller than the desired particle size, and re-firing the lithium titanate under conditions to form a final lithium titanate having a desired particle size produce narrow size distribution and controlled surface.
In einem Gegenstand des Verfahrens wird das Lithium-Titanat durch ein Verfahren gebildet, welches das Bilden eines Gemisches umfasst, welches Titan und Lithium umfasst. Das Verdampfen wird bei einer Temperatur oberhalb des Siedepunkts der Flüssigkeit in dem Gemisch durchgeführt, jedoch unterhalb der Temperatur, bei welcher eine wesentliche Reaktion der Lithium- und der Titanverbindung auftritt. Die Mischung wird kalziniert, um Lithium-Titanat zu bilden. Das kalzinierte Produkt kann gewaschen werden, um Spuren löslicher Salze zu entfernen.In An object of the method is the lithium titanate by a A method comprising forming a mixture, which includes titanium and lithium. The evaporation is at a Temperature above the boiling point of the liquid carried out in the mixture, however below the temperature at which a significant reaction the lithium and the titanium compound occurs. The mixture will calcined to form lithium titanate. The calcined product can be washed to remove traces of soluble salts.
Das Lithium-Titanat wird gemahlen oder zermahlen auf eine Größe, welche der gewünschten Größe des Endprodukts entspricht oder kleiner ist als diese. Das gemahlene oder zermahlene Lithium-Titanat ist sprühgetrocknet. Gegebenenfalls kann das zermahlene Lithium-Titanat erneut gebrannt werden, unter Bedingungen um Lithium-Titanat mit einer gewünschten Oberfläche und Größenverteilung zu erzeugen.The Lithium titanate is ground or crushed to a size which the desired size of the final product is equal to or less than this. The ground or ground Lithium titanate is spray-dried. Optionally, the crushed lithium titanate may be re-fired under conditions of lithium titanate with a desired surface and size distribution to create.
Das Gemisch aus Titan und Lithium kann aus einer Vielzahl von geeigneten Quellen bereitgestellt werden. Demzufolge wird gemäß eines Gegenstandes der Erfindung das Gemisch aus Titan und Lithium als wässrige Chloridlösungen aus Titan und Lithium bereitgestellt. In einem zweiten Gegenstand der Erfindung, wird das Gemisch aus Titan und Lithium als eine Suspension einer amorphen oxidierten Titanverbindung in einer Lithiumlösung bereitgestellt. In diesem Fall kann die Lithiumlösung aus einer Quelle aus Lithium gebildet werden, gewählt aus der Gruppe bestehend aus Lithiumhydroxid, Lithiumchlorid, Lithiumnitrat, Lithiumsulfat, Lithiumfluorid, Lithiumbromid, Lithiumoxid und deren Mischungen.The Mixture of titanium and lithium can be made of a variety of suitable Sources are provided. Consequently, according to a Subject of the invention, the mixture of titanium and lithium as aqueous chloride solutions made of titanium and lithium. In a second item invention, the mixture of titanium and lithium as a suspension an amorphous oxidized titanium compound in a lithium solution. In this case, the lithium solution from a source of lithium, selected from the group consisting of lithium hydroxide, lithium chloride, lithium nitrate, Lithium sulfate, lithium fluoride, lithium bromide, lithium oxide and their Mixtures.
In einem dritten Gegenstand der Erfindung wird Lithium-Titanat, hergestellt durch bekannte Mittel und Zermahlen auf eine Teilchengröße, welche kleiner ist als die Teilchengröße des Endproduktes, als die Quelle von Lithium und Titan für den erneuten Brennschritt verwendet, bei welchem die Kristalle auf die gewünschte Größe wachsen.In A third aspect of the invention is lithium titanate by known means and grinding to a particle size which is smaller is as the particle size of the final product, as the source of lithium and titanium for the re-firing step used, in which the crystals grow to the desired size.
Wie der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen verwendet, beziehen sich alle Prozentangaben auf das Gewicht, es sei denn, es ist spezifisch angegeben.As The following description and the appended claims all refer to Percentages by weight unless otherwise specified.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENSHORT DESCRIPTION THE DRAWINGS
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur wirtschaftlichen Herstellung von Lithium-Titanat mit guter Phasen- und Größenkontrolle aus Lithium-Titanat, in industriellen Qualitäten. Das Lithium-Titanat kann durch ein Verfahren bereitgestellt werden, welches im Folgenden beschrieben wird, oder aus jeder geeigneten Lithium-Titanat Quelle.The The present invention relates to a process for economical Production of lithium titanate with good phase and size control made of lithium titanate, in industrial qualities. The lithium titanate can be provided by a method which is hereafter or any suitable lithium titanate source.
Gemäß eines Gegenstandes der vorliegenden Erfindung wird das Lithium-Titanat gemäß des folgenden Verfahrens hergestellt. Ein Gemisch wird bereitgestellt, welches Titan und Lithium umfasst. Das Gemisch wird verdampft, um Teilchen zu bilden, welche eine Mischung aus Lithium- und Titanverbindungen enthalten. Das Verdampfen wird bei einer Temperatur oberhalb des Siedepunktes der Flüssigkeit in dem Gemisch durchgeführt, jedoch unter der Temperatur, bei welcher wesentliche Reaktionen der Lithium- und Titanverbindungen auftreten, oder bei welcher die Kristallisation des Lithium-Titanat auftritt. Die Teilchen werden kalziniert, um Lithium-Titanat zu bilden.According to one Subject of the present invention is the lithium titanate according to the following Process produced. A mixture is provided which Includes titanium and lithium. The mixture is evaporated to particles to form a mixture of lithium and titanium compounds contain. The evaporation is at a temperature above the Boiling point of the liquid carried out in the mixture, but below the temperature at which significant reactions the lithium and titanium compounds occur, or in which the Crystallization of lithium titanate occurs. The particles will be calcined to form lithium titanate.
Das Lithium-Titanat wird gemahlen oder zermahlen auf eine Größe, welche kleiner ist als die gewünschte Größe des Endprodukts oder dieser entspricht. Anschließend wird das Material sprühgetrocknet, so dass das sprühgetrocknete Erzeugnis, Li4Ti5O12, wie es ist verwendet werden kann, oder kann mikronisiert bzw. feinst vermahlen werden, um ein mikronisiertes Li4Ti5O12 Endprodukt zu bilden, oder kann erneut gebrannt werden. Typischerweise wird das gemahlene Lithium-Titanat erneut gebrannt unter Bedingungen, um Lithium-Titanat mit einer gewünschten Oberfläche und Teilchengröße zu erzeugen.The lithium titanate is ground or ground to a size smaller than or equal to the desired size of the final product. Subsequently, the material is spray-dried so that the spray-dried product, Li 4 Ti 5 O 12 , can be used as is, or micronized to form a micronized Li 4 Ti 5 O 12 end product be burned again. Typically, the milled lithium titanate is again fired under conditions to produce lithium titanate having a desired surface area and particle size.
Bezugnehmend
auf
Das
Gemisch wird in einer Vorrichtung
Nach
dem Kalzinieren können
die Teilchen in Wasser
Die
Teilchen werden auf eine gewünschte mittlere
Größe und Teilchenverteilung
zermahlen
Wenn
das Lithium-Titanat erneut gebrannt wird, können anschließend die
aus dem erneuten Brennen erzeugten Aggregaten in einer nassen Mühle
Die spezifischen Schritte des Verfahrens werden im Folgenden im Detail erläutert.The Specific steps of the procedure are detailed below explained.
Lithium-Titan-GemischLithium-titanium mixture
Wie oben erwähnt, wird ein Gemisch aus Titan und Lithium bereitgestellt, indem eine Lithiumquelle und eine Titanquelle bereitgestellt wird. Dieses Gemisch kann hier als das Lithium-Titangemisch oder das Titan-Lithiumgemisch bezeichnet werden.As mentioned above, a mixture of titanium and lithium is provided by a Lithium source and a titanium source is provided. This mixture can be referred to herein as the lithium-titanium mixture or the titanium-lithium mixture be designated.
Zum
Beispiel umfasst in einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wie in
Die wässrge Titanchloridlösung kann auch aus der Verarbeitung von Titaneisenerzen mit Salzsäure abgeleitet werden. Zum Beispiel kann sie aus dem Verarbeiten von Titanerz gemäß dem U.S. Patent Nr. 6,375,923 abgeleitet werden, dessen gesamter Inhalt hier eingeschlossen wird.The wässrge Titanium chloride solution can also be derived from the processing of titanium ores with hydrochloric acid become. For example, it may result from the processing of titanium ore according to U.S. Pat. Patent No. 6,375,923, the entire contents of which are hereby incorporated by reference is included.
Eine wässrige Lösung aus Lithiumchlorid kann erhalten werden, indem Lithiumchlorid oder Oxychlorid in Wasser aufgelöst wird oder durch das Auflösen einer Lithiumverbindung, wie Lithiumcarbonat oder Lithiumhydroxid in einer Salzsäurelösung. Diese Lithiumverbindung kann zum Beispiel in der sauren Titanchloridlösung aufgelöst werden, welche als ein erster Schritt gebildet wird.A aqueous solution Lithium chloride can be obtained by adding lithium chloride or oxychloride dissolved in water will or by dissolving a lithium compound such as lithium carbonate or lithium hydroxide in a hydrochloric acid solution. These For example, lithium compound can be dissolved in the acidic titanium chloride solution, which is formed as a first step.
In
einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wie in
In diesen Anmeldungen, wird das Zwischenprodukt gebildet, indem ein Titansalz in einer wässrigen Lösung zusammen mit optional kleineren Mengen jedes einer Vielzahl von chemischen Steuerungsmitteln zu einem oxidierten Titanfestkörper umgewandelt, in einem Verfahren, welches die gesamte, gesteuerte Verdampfung der Lösung und die Bildung einer amorphen Titanverbindung umfasst. Das Verdampfungsverfahren wird oberhalb des Siedepunktes der Lösung durchgeführt und unterhalb der Temperatur, bei welcher deutlicher Kristallwachstum auftritt.In These applications, the intermediate product is formed by a Titanium salt in an aqueous solution along with optionally smaller amounts each of a variety of converted into an oxidized titanium solid by chemical control agents, in a process involving the entire, controlled evaporation the solution and forming an amorphous titanium compound. The evaporation process is carried out above the boiling point of the solution and below the temperature at which significant crystal growth occurs.
Das
Lithium für
diese Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann als Lithiumnitrat, Lithiumchlorid,
Lithiumcarbonat, Lithiumhydroxid, Lithiumsulfat, Lithiumoxid, Lithiumfluorid,
Lithiumbromid oder andere lösliche
Lithiumverbindungen oder ihre Mischung bereitgestellt werden. In
noch einer anderen Ausführungsform,
wie in
Das Verhältnis des Titans zu dem Lithium in dem Gemisch wird eingestellt, um dem Ti- zu Li-Verhältnis der gewünschten Lithium-Titan-Verbindung zu entsprechen oder etwas geringer als diese zu sein. Um das bevorzugte Lithium-Titanat-Spinell herzustellen, Li4Ti5O12, entspricht das Verhältnis der Menge an Li zu der Menge an Ti(Li/Li) der Stoichiometrie von 0,116. Ein geringer Überschuss an Li über die stoichiometrische Menge, z. B. bis zu 10% mehr als die stoichiometrische Menge, d. h. bis zu einem Gewichtsver hältnis Li/Ti Verhältnis von 0,128, kann zugegeben werden, um die Verflüchtigung des Li-Salzes während der Verarbeitung zu berücksichtigen. Es ist möglich, 98% oder eine bessere Li4Ti5O12 Phasenreinheit zu erzielen.The ratio of the titanium to the lithium in the mixture is adjusted to correspond to or slightly less than the Ti to Li ratio of the desired lithium titanium compound. To produce the preferred lithium titanate spinel, Li 4 Ti 5 O 12 , the ratio of the amount of Li to the amount of Ti (Li / Li) corresponds to the stoichiometry of 0.116. A slight excess of Li over the stoichiometric amount, e.g. B. up to 10% more than the stoichiometric amount, ie up to a weight ratio Li / Ti ratio of 0.128, can be added to account for the volatilization of the Li salt during processing. It is possible to achieve 98% or better Li 4 Ti 5 O 12 phase purity.
Ein Verfahren zur Erzielung guter Phasenreinheit ist es zu beginnen, indem ein Gemisch aus Lithium- und Titanverbindungen mit einem Li/Ti Verhältnis von 0,116 hergestellt wird, eine kleine Probe zu entnehmen, diese zu trocknen und zu kalzinieren, die Phasenreinheit der Probe durch Röntgenstrahlbeugung zu messen und dieses Ergebnis zu verwenden, um das Li/Ti Verhältnis wie gefordert einzustellen.One Method of achieving good phase purity is to begin by mixing a mixture of lithium and titanium compounds with a Li / Ti relationship of 0.116, take a small sample of this To dry and calcine, the phase purity of the sample through X-ray diffraction to measure and use this result to the Li / Ti ratio like required to adjust.
In
bezug auf die in
VerdampfungsverfahrenEvaporation process
Nachdem das Gemisch von Lithium und Titan erzeugt wurde, wird das Gemisch verdampft (20, 120, 220). Das Verdampfungsverfahren wird oberhalb des Siedepunktes der Flüssigkeit in dem Gemisch durchgeführt und unterhalb der Temperatur, bei welcher bedeutende Reaktionen der Lithium- und Titanverbindungen auftreten, oder bei welcher eine beträchtliche Kristallisation des Lithium-Titanatsauftritt. Als ein Ergebnis der Verdampfung, werden Wasser und Säure (z. B. Salzsäure, Salpetersäure, salpetrige Säure) verdampft und können durch jedes geeignete Verfahren zurückgewonnen werden.After this the mixture of lithium and titanium was produced, becomes the mixture evaporated (20, 120, 220). The evaporation process is above the boiling point of the liquid carried out in the mixture and below the temperature at which significant reactions occur the lithium and titanium compounds, or in which a considerable Crystallization of lithium titanate appearance. As a result of the Evaporation, become water and acid (eg hydrochloric acid, Nitric acid, nitrous acid) evaporated and can be recovered by any suitable method.
Das Verdampfungsverfahren wird auf eine Weise durchgeführt, um die physikalische Form des Erzeugnisses zu steuern. Vorzugsweise wird das Verdampfungsverfahren durch Sprühen des Gemisches durchgeführt, während es auf eine Temperatur in dem Bereich von ungefähr 120°C bis ungefähr 350°C erwärmt wird, und besonders bevorzugt in dem Bereich von ungefähr 200°C bis ungefähr 250°C. Dieses Verfahren kann in einem Sprühtrockner durchgeführt werden.The Evaporation process is carried out in a way to to control the physical form of the product. Preferably The evaporation process is carried out by spraying the mixture while it is is heated to a temperature in the range of about 120 ° C to about 350 ° C, and more preferably in the range of about 200 ° C to about 250 ° C. This Method can be used in a spray dryer carried out become.
In
bezug auf das in
In
beiden Fällen,
können
durch die Steuerung der Betriebsparameter, umfassend die Temperatur
und Konzentration an Titan und Lithium, die Eigenschaften des festen
Zwischenprodukts zuverlässig
innerhalb eines sehr engen Bereichs gesteuert werden. Zum Beispiel
zeigen die Erzeugnisse, welche von einem Einspritzen in einem Sprühtrockner gemäß der in
Die Verdampfung durch Sprühen unter den Bedingungen der Erfindung besitzt auch den Vorteil der direkten Verarbeitung der Lösung, so dass ein homogenes Zwischenprodukt gebildet wird und so dass die Verdampfung von Wasser und Säure gleichzeitig durchgeführt wird. Vorzugsweise wird ungefähr zwischen 90% bis ungefähr 99% jedes wässrigen Materials verdampft.The Evaporation by spraying under the conditions of the invention also has the advantage of direct processing of the solution, so that a homogeneous intermediate is formed and so that the evaporation of water and acid performed simultaneously becomes. Preferably, approximately between 90% to about 99% of any aqueous material evaporated.
Kalzinierungcalcination
Das aus dem Verdampfungsschritt resultierende Erzeugnis wird kalziniert (30, 130, 230) bei einer Temperatur und über einen Zeitraum, welcher ausreichend ist, die Mischung aus Titan- und Lithiumverbindungen in Lithium-Titanat mit der gewünschten Struktur und Teilchengröße umzuwandeln. Die Kalzinierungstemperaturen können in dem Bereich zwischen ungefähr 600°C bis 900°C liegen. Vorzugsweise wird das Kalzinieren bei Temperaturen in dem Bereich von ungefähr 700°C bis ungefähr 900°C durchgeführt. Die Kalzinierungsdauer variiert über einen breiten Bereich, zwischen ungefähr 1 Stunde bis solange wie 36 Stunden. Vorzugsweise liegt die Kalzinierungsdauer in dem Bereich von ungefähr 6 Stunden bis ungefähr 12 Stunden. Niedrigere Temperaturen erfordern längere Kalzinierungsdauern. Das Erzeugnis der Kalzination zeigt eine Struktur individueller Einheiten, die durch das Mahlen in Teilchen einer gewünschten mittleren Größe und Größenverteilung aufgebrochen werden können.The product resulting from the evaporation step is calcined (30, 130, 230) at a temperature and for a time sufficient to convert the mixture of titanium and lithium compounds to lithium titanate having the desired structure and particle size. The calcining temperatures may range between about 600 ° C to 900 ° C. Preferably, calcination is conducted at temperatures in the range of about 700 ° C to about 900 ° C. The calcination time varies over a wide range, from about 1 hour to as long as 36 hours. Preferably, the calcination time is in the range of about 6 hours until about 12 hours. Lower temperatures require longer calcination times. The product of calcination shows a structure of individual units which can be broken up by grinding into particles of a desired mean size and size distribution.
Während des Kalzinierens, reagiert das Lithiumsalz mit Sauerstoff und Wasser in der Ofenatmosphäre, um zum Beispiel HCl-Gas oder salpetrige Oxide und Stickstoffoxide oder andere Gase freizusetzen, welche durch die Zersetzung des in der ursprünglichen Lösungen vorhandenen Salzes gebildet werden. Diese Gase können zurückgewonnen werden. Die Kalzinierungsbedingungen werden so gewählt, dass der Kontakt mit Sauerstoff ausreichend ist, um die Mischung aus einem Lithiumchloridsalz und Titandioxid in ein Lithium-Titanat mit einem niedrigen Verunreinigungsmaß umzuwandeln.During the Calcining, the lithium salt reacts with oxygen and water in the furnace atmosphere, for example, HCl gas or nitrous oxides and nitrogen oxides or other gases released by the decomposition of in the original one solutions existing salt are formed. These gases can be recovered. The calcination conditions are chosen that contact with oxygen is sufficient to mix from a lithium chloride salt and titanium dioxide into a lithium titanate to convert with a low level of contamination.
Abhängig von dem Verhältnis der Menge an Lithium und Titan, welche vorhanden sind, können unterschiedliche Titanate wie Li4TiO4, Li2TiO3, Li4Ti5O12, Li2Ti3O7, gebildet werden. Li4Ti5O12 Spinell ist die bevorzugte Form für Li Einlagerungselektroden und wird durch ein Verhältnis von Li zu Ti (Li/Ti) von 0,116 erhalten. Wie oben erläutert, kann ein leichter Überschuss an Li in der Ausgangslösung gewählt werden, um geringe Verluste an LiCl durch Verdampfung zu kompensieren.Depending on the ratio of the amount of lithium and titanium present, different titanates such as Li 4 TiO 4 , Li 2 TiO 3 , Li 4 Ti 5 O 12 , Li 2 Ti 3 O 7 may be formed. Li 4 Ti 5 O 12 spinel is the preferred form for Li insertion electrodes and is obtained by a ratio of Li to Ti (Li / Ti) of 0.116. As explained above, a slight excess of Li in the starting solution can be chosen to compensate for low losses of LiCl by evaporation.
WaschenTo wash
Das Kalziinierungserzeugnis kann Spuren des ursprünglichen Lithiumsalzes enthalten, welches als Einsatzmaterial verwendet wurde. Um die Salzspuren zu entfernen, können die Teilchen einem oder mehreren Waschzyklen unterworfen werden. In jedem Zyklus, werden die Teilchen mit Wasser vermischt und werden durch Absetzen oder Filtrieren abgetrennt. Der Waschschritt ist insbesondere geeignet, wenn das verwendete Lithiumsalz Lithiumchlorid ist.The Calcination product may contain traces of the original lithium salt, which was used as feedstock. To the salt traces too can remove the particles are subjected to one or more washing cycles. In each cycle, the particles are mixed with water and become separated by settling or filtration. The washing step is particularly suitable when the lithium salt used is lithium chloride.
Mahlen oder ZermahlenGrind or grind
Nach
dem Kalzinieren und dem möglichen Waschen
oder wenn das Lithium-Titanat aus den in
Sprühtrocknen und Mikronisierenspray drying and micronizing
Das
Erzeugnis aus dem Nassmahlverfahren wird in einem Sprühtrockner
Erneutes BrennenRenewed burning
Gegebenenfalls kann das Lithium-Titanat nach dem Zermahlen und Sprühtrocknen erneut in einem Ofen mit gesteuerter Temperatur gebrannt werden, um ein Produkt herzustellen, mit einer gut gesteuerten spezifischen Oberfläche, bestehend aus regelmäßig geformten Kristallen und einer engen Größenverteilung. Die erneute Brenntemperatur wird ausgewählt, um eine gewünschte Teilchengröße und Oberfläche des Erzeugnisses zu erzielen. Im Allgemeinen liegt die erneute Brenntemperatur zwischen ungefähr 250°C und 900°C, und die BET Oberfläche des erneut gebrannten Erzeugnisses in dem Bereich von 1 bis 400 m2/g, wobei die höhere erneute Brenntemperatur der niedrigeren spezifischen Oberfläche entspricht. Vorzugsweise liegt die erneute Brenntemperatur bei ungefähr 500°C.Optionally, after grinding and spray drying, the lithium titanate may be re-fired in a controlled temperature furnace to produce a product having a well-controlled specific surface area consisting of regularly shaped crystals and a narrow size distribution. The re-firing temperature is selected to achieve a desired particle size and surface area of the product. In general, the re-firing temperature is between about 250 ° C and 900 ° C, and the BET surface area of the re-fired product is in the range of 1 to 400 m 2 / g, with the higher re-firing temperature corresponding to the lower specific surface area. Preferably, the re-firing temperature is about 500 ° C.
Gemäß der in
Dispergieren oder Mahlendispersing or grinding
Nach
dem erneuten Brennschritt kann das Produkt dispergiert
Alternativ
kann das Erzeugnis des erneuten Brennschrittes mikronisiert werden
Weitere VerarbeitungFurther processing
Abhängig von
der Bestimmung des Endproduktes, kann das Erzeugnis aus dem Dispersionsschritt
als eine Aufschlämmung
gehalten werden, oder sprühgetrocknet
Gemäß des vorliegenden Verfahrens, kann ein Lithium-Titanat mit einer Teilchengröße zwischen 5 und 2.000 nm und mit einer BET Oberfläche zwischen 1 und 200 m2/g erzeugt werden.According to the present method, a lithium titanate having a particle size of between 5 and 2,000 nm and a BET surface area of between 1 and 200 m 2 / g can be produced.
Die folgenden Beispiele illustrieren, begrenzen die vorliegende Erfindung jedoch nicht.The The following examples illustrate limiting the present invention However not.
BEISPIELEEXAMPLES
Beispiel IExample I
Fünftausendzweihundert Kilogramm flüssiges wasserfreies Titantetrachlorid wurde in einen Glas-ausgekleideten, gerührten, wassergekühlten Reaktor enthaltend 3 m3 einer 3 M HCl Lösung. Die maximale Temperatur während des Einspritzverfahrens betrug 45°C. Nachdem die titanhaltige Lösung auf unter 35°C gekühlt wurde, wurde der Reaktor geöffnet und 922 kg Lithiumchlorid wurden zugegeben, um eine Titan-Lithium-Lösung zu bilden.Five thousand two hundred kilograms of liquid anhydrous titanium tetrachloride was placed in a glass-lined, stirred, water-cooled reactor containing 3 m 3 of a 3 M HCl solution. The maximum temperature during the injection process was 45 ° C. After the titanium-containing solution was cooled below 35 ° C, the reactor was opened and 922 kg of lithium chloride was added to form a titanium-lithium solution.
Ein Teil der Titan-Lithium-Lösung wurde weiter in einen Sprühtrockner eingeführt mit einer Geschwindigkeit von 12 Liter/h. Der Sprühtrockner wurde durch Gase erwärmt, erzeugt durch die Verbrennung von Erdgas, mit Luft verdünnt, um die Temperatur des Einlassgases auf 600°C zu halten. Die Temperatur des Auslassgases betrug 250°C. Das feste Zwischenprodukt wurde in einem an dem Auslass angeordneten Zyklon zurückgewonnen.One Part of the titanium-lithium solution was further into a spray dryer introduced at a speed of 12 liters / h. The spray dryer was heated by gases, produced by the combustion of natural gas, diluted with air to to keep the temperature of the inlet gas at 600 ° C. The temperature the outlet gas was 250 ° C. The solid intermediate was placed in one at the outlet Cyclone recovered.
Für den Kalzinierungsschritt,
wurde das in dem Zyklon zurückgewonnene
Erzeugnis weiter in einer oxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von
800°C für 12 Stunden
kalziniert. Das Produkt nach der Kalzinierung bestand aus Kristallen
aus Li4Ti5O12 mit ungefähr 400 bis ungefähr 1.000
nm in der Größe.
Das Erzeugnis des Kalzinierungsschrittes wurde weiter in Wasser aufgelöst und mit Zirkondioxid-Mahlmedien für 8 Stunden gemahlen. Die BET Oberfläche dieses Erzeugnisses betrug 135 m2/g.The product of the calcining step was further dissolved in water and ground with zirconia grinding media for 8 hours. The BET surface area of this product was 135 m 2 / g.
Beispiel IIExample II
Das Erzeugnis aus Beispiel 1 wurde des Weiteren sprühgetrocknet, anschließend auf ein keramisches Tablett angeordnet und in einem Muffelofen bei 450°C 4 Stunden gebrannt. Die BET Oberfläche dieses Erzeugnisses betrug 60 m2/g.The product of Example 1 was further spray-dried, then placed on a ceramic tray and fired in a muffle furnace at 450 ° C for 4 hours. The BET surface area of this product was 60 m 2 / g.
Beispiel IIIExample III
Das
Erzeugnis aus Beispiel 1 wurde des Weiteren sprühgetrocknet, anschließend auf
ein keramisches Tablett angeordnet und in einem Muffelofen bei 700°C 3 Stunden
gebrannt. Die BET Oberfläche
dieses Erzeugnisses betrug 27 m2/g.
Beispiel IVExample IV
200 kg einer amorphen Titanverbindung enthaltend 108 kg Ti wurde durch Einspritzen in einen Sprühtrockner aus einer Lösung aus Titanoxychlorid gemäß des Verfahrens des U.S. Patents Nr. 09/503,365 hergestellt. Das verwendete Material war das amorphe Zwischenprodukt erhalten nach dem Sprühtrocknen und vor dem Kalzinierungsschritt. Die amorphe Ti-Verbindung wurde in einer Lithiumhydroxidlösung in einem Doppel-Achsen mit Polyurethan ausgekleidetem Disperser dispergiert. Insgesamt wurden 77,2 kg LiOH·H2O verwendet.200 kg of an amorphous titanium compound containing 108 kg of Ti was prepared by injecting into a spray dryer of a solution of titanium oxychloride according to the method of U.S. Patent No. 09 / 503,365. The material used was the amorphous intermediate obtained after spray-drying and before the calcination step. The amorphous Ti compound was dispersed in a lithium hydroxide solution in a double-axis polyurethane-lined disperser. In total, 77.2 kg of LiOH.H 2 O were used.
Die Suspension wurde des Weiteren in einen Sprühtrockner eingeführt, welcher bei den gleichen Bedingungen wie der Sprühtrockner in Beispiel 1 betrieben wurde.The Suspension was further introduced into a spray dryer which operated under the same conditions as the spray dryer in Example 1 has been.
Das Erzeugnis des Sprühtrockners wurde weiter kalziniert, gemahlen, getrocknet und bei 500°C für 15 Stunden erneut gebrannt. Die BET Oberfläche des Erzeugnisses betrug 60 m2/g.The product of the spray dryer was further calcined, ground, dried and remelted at 500 ° C for 15 hours. The BET surface area of the product was 60 m 2 / g.
Während beschrieben wurde, was zur Zeit als bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung angenommen wird, werden Fachleute realisieren, dass Änderungen und Modifikationen durchgeführt werden können, ohne sich von dem Umfang der Erfindung zu ent fernen. Es sollen alle Änderungen und Modifikationen mit beansprucht werden, die in den Umfang der Erfindung fallen.While described what was currently considered to be preferred embodiments of the invention Experts will realize that changes and modifications performed can be without departing from the scope of the invention ent. It should all changes and modifications to be claimed within the scope of Fall invention.
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